CN106246234A - 一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，是一种变截面扭叶片，包括叶身、叶根和设置在叶身上的凸台拉筋，叶身是由若干特征截面按特定规律叠合而成的异形体；叶身叶高Ld相对值由0.0单调增加到1.0，叶身型线安装角c1由72.18°单调减小到29.61°，进口几何角a1由45.20°单调递增到114°，出口几何角a2由29°单调递增到38.04°，从叶根截面到叶顶截面的节距、弦长、叶型截面轴向宽度、叶型截面最大厚度比等均有独特的变化规律；结构合理，装配方便，特别适用于背压为0.05bar～0.4bar、转速4000rpm以下范围内变化的超高背压空冷工业汽轮机。

Description

一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片

技术领域

本发明涉及汽轮机叶片技术，尤其是一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，特别适用于背压为0.05bar～0.4bar、转速4000rpm以下范围内变化的超高背压空冷工业汽轮机。

背景技术

空冷汽轮机在国内电力行业和工业驱动行业的需求量不断增加，其高效设计逐渐凸现其重要性。空冷机组是一种典型的变工况运行机组，相对于水冷机组，空冷机组的设计背压高且背压变化范围大，大气的环境温度变化范围大，致使末级叶片必须满足能由阻塞工况到鼓风工况运行，尤其无论在低背压、阻塞工况或高背压、鼓风工况下，末级叶片的工作条件都十分恶劣，最大连续转速高、功率大、转速变化范围广（40%-110%）等特点致使低压级组末级叶片成了设计中的关键环节，准确把握整个机组特别是低压级组的通流性能，设计出高效可靠的变转速空冷工业汽轮机末级叶片成为重要的发展目标。

公开技术中空冷汽轮机的设计也有多种，但结构、适用性各有特点，如专利公开号为CN101749052A，一种空冷给水泵汽轮机的末级动叶片，叶身由若干特征截面按一特定规律迭合而成的异形体，其叶身有效高度为H＝290.0mm、根径为Dr＝815mm；具有特征参数安装角c1、弦长b1、轴向宽度Xa、最大厚度w1、截面积A；截面的迭合规律是沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡，叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；安装角c1由79.330单调减小到30.880；弦长b1变化规律为：1.63≥b1≥1.0；轴向宽度Xa变化规律为：2.94≥Xa≥1.0；最大厚度w1变化规律为：1.3≥w1≥1.0；面积A变化规律为：3.03≥A≥1.0。这种结构特别适用于660MW的超临界机组空冷汽轮机。又如专利公开号为CN101737091A设计的一种空冷给水泵汽轮机末级动叶片，叶身是由若干特征截面按一特定规律叠合而成的异形体，其叶身有效高度为H＝365.0mm、根径为Dr＝906.8mm；具有特征参数安装角c1、弦长b1、最大厚度w1、轴向宽度Xa、截面积A；截面的叠合规律是沿叶高方向自根端向顶端，各截面连续光滑过渡；叶高H的相对值由0.0单调增加到1.0；安装角c1由81.830单调减小到13.670；弦长b1变化规律为1.61≥b1≥1.0；最大厚度w1变化规律为2.265≥w1≥1.0；轴向宽度Xa变化规律为3.75≥Xa≥1.0；面积A变化规律为4.58≥A≥1.0。这种结构特别适合用于1000MW超临界机组空冷汽轮机。

发明内容

本发明的目的是为了解决高效可靠的变转速空冷工业汽轮机末级叶片技术问题，提供一种结构合理、装配方便的高背压空冷汽轮机用末级动叶片，具有良好的变工况性能和强度性能，尤其适用于背压为0.05bar～0.4bar、转速在4000rpm以下范围内变化的超高背压空冷工业汽轮机。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，包括一体式结构的叶身、叶根以及位于叶身腰部的凸台拉筋，其特征在于所述叶身是由若干特征截面按设定规律叠合而成的异形体，具有特征参数：有效叶高Ld、根径Dr。

所述截面的轮廓线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数：安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b、最大厚度Dmax、截面面积A；截面叠合规律是沿叶高方向自根端向顶端连续光滑过渡，叶身叶高Ld相对值由0.0单调增加到1.0，与之对应，叶身型线安装角c1由72.18°单调减小到29.61°，进口几何角a1由45.20°单调递增到114°，出口几何角a2由29°单调递增到38.04°。

从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.50≤T/b≤0.95；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.50≤T/B≤1.25；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为：2.5≤T/Dmax≤13.8；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为：0.02≤T/A≤0.16。

从叶根截面到叶顶截面的叶型前缘半径R0变化规律为：1.34mm≥R0≥0.62mm；从叶根截面到叶顶截面的叶型尾缘半径R1变化规律为：1.39mm≥R0≥0.36mm。

相关变量定义如下：

Dr—根径：叶片装配在转子上时，叶身根截面，即气道高度0.0mm处位置直径；

Ld—叶身叶高：叶顶截面与叶根截面之间的径向距离；

b—弦长：叶身截面进、出汽边距离；

c1—叶片安装角：弦长b与转子轴线的夹角；

Dmax—叶身截面切向宽度，即最大厚度；

R0—叶身截面叶型前缘半径；

R1—叶身截面叶形尾缘半径；

a1—进口几何角；

a2—出口几何角=sin-1(o1/T)，式中：节距T：相邻俩叶片同一高度截面在周向的安装距离；出口喉部o1：出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

本技术方案设计的叶片，采用三元流动设计技术设计而成，沿叶高方向叶片具有一定的扭曲规律，即兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有较好的气动性能，叶身扭曲规律是按照三元流理论设计的，沿叶身各热力参数分布规律合理。

本方案叶片间优选采用双锥棒松拉筋结构连接，静态时双锥棒安装在拉筋孔中，不与拉筋孔贴合，而在工作转速下，由于离心力的作用，双锥棒与拉筋孔上部贴合，并产生较大的正压力和摩擦力；在离心力的作用下，这种结构一方面使双锥棒与拉筋孔之间产生摩擦力，增加了系统的阻尼，另一方面，使叶片整圈成组，提高叶片的振动性能，降低叶片所受的动应力。

作为优选，所述的叶身叶高Ld为215mm。

作为优选，所述的叶根为三叉形叶根，叶根轴向宽度B为132.2mm。

作为优选，所述的凸台拉筋包括位于叶身中上部的凸台以及凸台中的拉筋孔。

作为优选，所述的拉筋孔直径为12mm，距叶身底部141.3mm，拉筋孔在装配时用来插装定位双锥棒。

作为优选，所述的叶身的出汽边背弧处设有淬硬部分。

本发明的有益效果是：叶身的气动设计和叶片结构、强度设计相互耦合，具有良好的协调性，使叶片具有较高的可靠性和经济性；兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有较好的气动性能以及良好的变工况性能；凸台、拉筋孔和双锥棒松拉筋结构的连接设计，在离心力的作用下，一方面使双锥棒与拉筋孔之间产生摩擦力，增加了系统的阻尼，并使叶片整圈成组，提高叶片的振动性能，降低叶片所受的动应力；结构合理，装配方便，可在背压0.05bar～0.4bar，4000rpm以下安全运行，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种叶片结构示意图。

图2是本发明的一种叶片主视结构示意图。

图3是本发明图2的俯视结构示意图。

图4是本发明的叶片叶身截面叠合结构示意图。

图5是本发明的叶片叶身截面结构要素示意图。

图6是本发明的相邻三只叶片用双锥棒连接结构示意图。

图中：1. 叶身，2. 凸台拉筋，3. 叶根，4. 双锥棒。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本实施例汽轮机的设计背压高达0.4bar，在此设计背压范围内，最终确定的末级动叶片汽道高度Ld（即叶片的有效高度，亦是叶片的叶身部分的长度）为215mm，根径Dr（即叶片安装于转子后，其叶身根截面所在圆的直径，亦是转子轮缘的直径）为823.7mm，通汽环形面积为1m²，以此根径Dr和叶身叶高Ld为通流设计基准采用三元流设计方法设计叶片，并在给定低压级进口压力、焓值、流量和背压下，优化各级焓降、速比和级内反动度匹配。

本实施例一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，参见图1、图2、图3、图5，包括一体式结构的叶身1、叶根3以及位于叶身腰部的凸台拉筋2，其中叶身1是由若干特征截面按待定规律叠合而成的异形体，具有特征参数：有效叶高Ld、根径Dr；叶根3为三叉型叶根，叶根轴向宽度B为132.2mm。叶片通过三叉型叶根安装在转轴外圆的叶轮槽中；叶根3截面的轮廓线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b、最大厚度Dmax、截面面积A。

相关变量定义如下：

Dr—根径：叶片装配在转子上时，叶身根截面，即气道高度0.0mm处位置直径。

Ld—叶身叶高：叶顶截面与叶根截面之间的径向距离。

b—弦长：叶身截面进、出汽边距离。

c1—叶片安装角：弦长b与转子轴线的夹角。

Dmax—叶身截面切向宽度，即最大厚度。

R0—叶身截面叶型前缘半径。

R1—叶身截面叶形尾缘半径。

a1—进口几何角；

a2—出口几何角=sin-1(o1/T)，式中：

T—节距：相邻俩叶片同一高度截面在周向的安装距离。

o1—出口喉部：出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

截面叠合规律是各截面的动态重心重合且以重心连线（即辐射线）为中心扭转成型，沿叶高方向自根端向顶端连续光滑过渡，截面面积S沿高度方向单调减小，呈塔状，参见图2、图4，叶身叶高Ld相对值由0.0单调增加到1.0，与之对应，叶身型线安装角c1由72.18°单调减小到29.61°，进口几何角a1由45.20°单调递增到114°，出口几何角a2由29°单调递增到38.04°；从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.50≤T/b≤0.95；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.50≤T/B≤1.25；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为：2.5≤T/Dmax≤13.8；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为：0.02≤T/A≤0.16；从叶根截面到叶顶截面的叶型前缘半径R0变化规律为：1.34mm≥R0≥0.62mm；从叶根截面到叶顶截面的叶型尾缘半径R1变化规律为：1.39mm≥R0≥0.36mm。

由于在工作状态下，叶片中上部分的截面相对静止状态时有较大的扭转变形，本实施例采用结构有限元分析方法优化设计叶片的连接拉筋凸台2，凸台拉筋2包括位于叶身中上部的凸台以及凸台中的拉筋孔；拉筋孔直径为12mm，距叶身1底部141.3mm，拉筋孔在装配时插装有双锥棒4，如图6所示。静态时叶片为单片结构，双锥棒4不与拉筋孔上部贴合，在工作转速下，由于离心力的作用，双锥棒4将与拉筋孔上部贴合，并产生较大的正压力，在离心力的作用下，这种结构一方面使双锥棒4与拉筋孔之间产生摩擦力，增加了系统的阻尼；另一方面，使叶片整圈成组，提高叶片的振动性能；叶身1出汽边背弧处设有淬硬部分，淬硬长度根据实际需要而定。

本实施例所描述的排汽面积1.0m²变转速空冷工业汽轮机的低压级组末级叶片，采用三元流动设计技术设计而成的，叶身1截面的宽度、厚度及横截面面积由根部到顶部逐渐减小，单调平滑过渡，沿叶高方向叶片具有一定的扭曲规律，即兼顾了叶片静强度要求，还使得叶片具有较好的气动性能，沿叶身1各热力参数分布规律合理，经专业计算流体动力学计算软件CFX和Numeca等计算验证，在背压为0.17bar出口马赫数在0.6时的工况下，整个低压级组的气动效率在83%左右，且在背压为0.05-0.4bar的范围内，其总效率均在80%以上，具有良好的变工况性能，可在背压0.05bar～0.4bar，4000rpm以下安全运行。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明的简单变换后的结构、方法等均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，包括一体式结构的叶身（1）、叶根（3）以及位于叶身腰部的凸台拉筋（2），其特征在于所述叶身是由若干特征截面按设定规律叠合而成的异形体，具有特征参数有效叶高Ld、根径Dr；

所述截面的轮廓线是由内弧曲线和背弧曲线围成的封闭曲线，具有特征参数安装角c1、进口几何角a1、出口几何角a2、弦长b、最大厚度Dmax、截面面积A；截面叠合规律是沿叶高方向自根端向顶端连续光滑过渡，叶身叶高Ld相对值由0.0单调增加到1.0，与之对应，叶身型线安装角c1由72.18°单调减小到29.61°，进口几何角a1由45.20°单调递增到114°，出口几何角a2由29°单调递增到38.04°；

从叶根截面到叶顶截面的节距与弦长比T/b变化规律为：0.50≤T/b≤0.95；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面轴向宽度比T/B变化规律为：0.50≤T/B≤1.25；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面最大厚度比T/Dmax变化规律为：2.5≤T/Dmax≤13.8；从叶根截面到叶顶截面的节距与叶型截面面积比T/A变化规律为：0.02≤T/A≤0.16；

从叶根截面到叶顶截面的叶型前缘半径R0变化规律为：1.34mm≥R0≥0.62mm；从叶根截面到叶顶截面的叶型尾缘半径R1变化规律为：1.39mm≥R0≥0.36mm；

相关变量定义如下：

Dr—根径：叶片装配在转子上时，叶身根截面，即气道高度0.0mm处位置直径；

Ld—叶身叶高：叶顶截面与叶根截面之间的径向距离；

b—弦长：叶身截面进、出汽边距离；

c1—叶片安装角：弦长b与转子轴线的夹角；

Dmax—叶身截面切向宽度，即最大厚度；

R0—叶身截面叶型前缘半径；

R1—叶身截面叶形尾缘半径；

a1—进口几何角；

a2—出口几何角=sin-1(o1/T)，式中：节距T：相邻俩叶片同一高度截面在周向的安装距离；出口喉部o1：出口边与相邻叶身截面背弧的最小距离。

2.根据权利要求1所述的一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，其特征在于所述的叶身（1）叶高Ld为215mm。

3.根据权利要求1所述的一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，其特征在于所述的叶根（3）为三叉形叶根，叶根轴向宽度B为132.2mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，其特征在于所述的凸台拉筋（2）包括位于叶身中上部的凸台以及凸台中的拉筋孔。

5.根据权利要求4所述的一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，其特征在于拉筋孔直径为12mm，距叶身底部141.3mm，拉筋孔在装配时用来插装定位双锥棒（4）。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种高背压空冷汽轮机用末级动叶片，其特征是叶身（1）的出汽边背弧处设有淬硬部分。